近海填土对既有桥梁桩基影响分析与建议

田 帅

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

随着沿海城市的发展，土地资源逐渐成为制约其城市发展的瓶颈。工程建设中常常出现由于地面填筑、堆载等施工导致邻近结构物桩基拉应力和位移过大的情况。

目前很多学者针对填土对桩基的影响做了许多研究工作，兰南[1]等分析了填土在不同距离、不同堆载速率的条件下，对桥梁基础的影响情况。聂磊[2]研究了不同堆载分布宽度和高度对邻近桩基的影响。陈富强[3]等就填土加高对桥梁桩基的内力和变形研究进行了研究分析。但对于填土的方向以及分层填土的顺序缺乏相关研究。本文结合沿海某项目采用Midas GTS NX 三维数值模拟方法分析了填土方向以及分层填土衔接顺序对桥墩桩基的影响，同时对比分析了填土对不同桥墩桩径的影响以及对桥墩采用不同保护措施下填土对桥墩桩基的影响，研究结果可以为类似工程设计施工提供参考。

1 工程概况

沿海某项目通过填海筑岛形成稳定陆域，为岛上隧道、道路、桥台、风塔等岛内构筑物的施工创造相对良好的施工条件。岛壁结构施工完毕后，岛壁内侧区域回填中粗砂至标高2.5 m，然后分区域分层回填中粗砂至标高7.5 m。由于人工岛目前尚未施工，而且筑岛区域与沿江高速部分桥桩位置重合，存在相互影响。为了保障邻近高速桥梁的运营安全，有必要研究人工岛在填筑过程中对沿江高速桥墩的影响。图1 为沿江高速桥墩平面布置图。

图1 填土范围内桥墩桩位图

2 计算模型

为了研究岛内填土对邻近桥桩的影响，根据东人工岛南端的实际施工现场情况，利用MIDAS GTS NX三维有限元软件建立以71#～74# 桥墩为背景的计算模型，研究相关施工过程对其造成的影响，坝内填土厚度共7.5 m，第一层填土2.5 m，随后按1 m 分层填土至设计标高。

模型中土体均采用实体单元模拟，计算模型见图2 和图3，具体参数见表1。

表1 土体模型参数

图2 桥梁承台与桩基透视图

图3 整体模型网格图

桥墩与桩基分别采用实体单元与梁单元模拟，为了降低筑岛对邻近桥桩的影响，利用钢板桩保护桥墩，采用板单元模拟钢板桩的保护作用，板厚取20 mm，具体参数见表2。

表2 桥梁承台、桩基与钢板桩参数

为了防护海浪影响，人工岛边缘采用堤坝加固，堤坝拟采用块石基础，利用3 t 扭王字块进行护面，堤坝外海侧采用分级放坡处理。由于堤坝整体性较好，强度高，根据工程经验，模型中采用重度为22 kN/m3，泊松比为0.3，弹性模量为150 MPa。

堤坝下方土体采用水泥搅拌桩加固，水泥搅拌桩采用等效为提高同等范围内的土体参数，等效的水泥土参数根据工程经验进行取值，重度取为19.5 kN/m3，弹性模量取120 MPa，泊松比取0.3，粘聚力取80 kPa，内摩擦角取20°

3 计算结果分析

（1）顺桥向填土与横桥向填土对比分析

由于桥桩的顺桥向方向和横桥向方向布置存在差异，那么不同方向的填土便会对桥桩产生不同的影响。对比分析横桥向填土与顺桥向填土的填筑方式对桥桩变形影响的差异。两种填筑方法示意见图4。

图4 不同填土方式示意图

每层填土共分三个区域，①区、②区和③区，若第一层填土按照①区～③区的顺序填筑，则第二层土按照③区～①区的顺序填筑，依次类推。

表3 为两种填土填筑方式下，不同施工步骤桥桩顺桥向位移的最大值，采用横桥向填土方式，桥桩最大变形值为50.4 mm，而采用顺桥向填土方式最终变形为63.9 mm。由此可见，采用横桥向填土方式对桥桩的顺桥向位移影响相对较小。

表3 不同填土方式顺桥向最大位移值

表4 为两种填土填筑方式下，不同施工步骤桥桩横桥向位移的最大值，采用横桥向填土方式，桥桩最终变形值为4.38 mm，而采用顺桥向填土方式最终变形为4.15 mm。由此可见，采用顺桥向填土方式对桥桩的横桥向位移影响相对较小。

表4 不同填土方式横桥向最大位移值

综合上述分析可以看出，填土对桥桩的影响主要以桩基的顺桥向位移变形为主，而采用横桥向填土方式更有利于控制桥桩的顺桥向位移，因此，采用横桥向的填土方式完成岛内土体填筑对控制桥桩变形更加有利。

（2）分层填土不同衔接顺序对桥桩位移影响

以横桥向填土方式为例，分析由本层填土过渡到下一层填土的衔接顺序对桥桩顺桥向位移的影响，具体对比分析以下两种工况：

工况一：本层土按①区～③区的顺序填土，而下一层土按照③区～①区顺序填土。

工况二：本层土按①区～③区的顺序填土，而下一层土按照①区～③区顺序填土。

结合表5 和表6 数据对比可以发现，第一层填土和第二层填土衔接时，工况一与工况二引起的位移变化值分别为0.49 mm 和0.78 mm；第三层填土与第四层填土衔接时引起的位移变化值分别为0.62 mm和0.96 mm，这说明工况二对桥桩的变形影响较大，故采用工况一中的填土衔接方式更有利于控制分层填土对桥桩变形的影响。

表5 第一层填土和第二层填土衔接时顺桥向位移变化值

表6 第三层填土和第四层填土衔接时顺桥向位移变化值

（3）桥桩桩径变化的影响

由于桥桩外套钢管，实际桩径接近1.8 m，故对比分析了1.6 m 桩径和1.8 m 桩径的桥梁桩基在填土作用下的变形和受力特征。

根据表7 中计算结果数据，分析可以知道，桩径增大导致桩基的水平位移值有所减小，但会引起桩身附加弯矩的增大，桩身附加弯矩增大约30%。

表7 不同桩径变形与附加弯矩统计表

（4）不同桥墩保护方案对比分析

以横桥向填土方式，工况一填土衔接顺序为例研究不同保护方案下填土对桥桩的影响。

分别模拟钢板桩保护方案与钻孔灌注桩保护方案下填土对桥桩的影响，钢板桩采用IV 型拉森钢板桩，灌注桩直径为1.5 m。计算结果见表8。

表8 不同桥梁桩基保护措施桥桩变形结果

根据表8 结果分析可知，采用钻孔灌注桩保护邻近桥墩可以显著控制桥桩的变形，桩基顺桥向位移降低约70%。

若采用钢板桩保护，最终填土区域内桥桩变形将达到50.4 mm，会对桥桩产生极大不利影响，故最终坝内填土区域桥墩采用灌注桩保护，邻近坝堤以及坝堤处桥墩采用钢板桩保护，不同保护措施下的桥桩变形均得到了有效控制。

4 结 语

本文借助Midas GTS NX 软件建立三维数值模型对桥桩周边填土进行模拟，研究了不同填土方向、逐层填土不同衔接顺序，桥桩桩径变化以及不同桥墩保护方案对桥桩的影响规律，主要结论如下：

（1）填土对桥桩的影响主要以桩基的顺桥向位移变形为主，而采用横桥向填土方式更有利于控制桥桩的顺桥向位移，因此，建议采用横桥向的填土方式完成岛内土体填筑。

（2）采用工况一（本层土按①区～③区的顺序填土，而下一层土按照③区～①区顺序填土）的填土衔接方式更有利于控制分层填土对桥桩变形的影响。

（3）桩径增大导致桩基的水平位移值有所减小，但会引起桩身附加弯矩的增大。

（4）相比于钢板桩保护措施，邻近人工岛南端填土区域内的桥墩采用钻孔灌注桩保护措施更有力于控制桥桩变形。